AISI 409与AISI 316L不锈钢异种焊接的实验研究

工程科学与技术，国际期刊20（2017）1334审查AISI 409铁素体不锈钢与AISI 316L奥氏体不锈钢的GMAW异种焊接NabenduGhosh，Pradip Kumar，Goutam NandiJadavpur University，Kolkata 700032，WB，India阿提奇莱因福奥文章历史记录：2016年9月24日收到2017年3月26日修订2017年8月3日接受2017年9月14日在线发布保留字：MIG焊Taguchi可取性分析优化A B S T R A C T研究和分析了焊接电流、气体流量和喷嘴到板的距离等焊接参数对AISI 409铁素体不锈钢与AISI 316L奥氏体不锈钢材料连续焊接的抗拉强度和屈服强度的影响实验按照田口法的L9正交表用田口意愿分析法对UTS和YS的观测数据进行了解释、©2017 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。内容1.导言. 13342.田口方法13363.意愿函数法13363.1.最好的13363.2.第1336章越3.3.越小越好13364.实验计划、设置和程序13375.焊接件1338的目视检查结果6.焊接件1338的X射线照相试验结果7.拉伸试验结果和讨论13398.使用期望函数分析选择最佳参数13399.确证性试验1340的结果10.结论1340致谢1341参考文献13411. 介绍异种金属接头用于各种工程应用中，例如核电站、燃煤锅炉、汽车*通讯作者。电子邮件地址：nabendu2003_ghosh@yahoo.co.in（N.Ghosh），yahoo.com（P.K.），gnandi87@gmail.com（G. Nandi）。由Karabuk大学负责进行同行审查异种金属的连接通常使用压力焊接而不是其他连接方法[1]。异向焊接是两种不同材料之间通过任何焊接工艺进行的连接。不同材料的连接可以显著地降低产品的重量，并且还使生产成本最小化，而不损害安全性和结构要求。异种焊缝必须具有足够的抗拉强度和延展性，使接头不会在焊缝内失效。异种金属接头用于各种工程中http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2017.08.0022215-0986/©2017 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchN. Ghosh等人/工程科学与技术，国际期刊20（2017）13341335不同的材料已经通过不同的焊接操作连接，这些焊接操作包括气体保护金属极电弧焊（GMAW）、气体保护钨极电弧焊（GTAW）、埋弧焊（SAW）、熔焊、压力焊、爆炸焊、摩擦焊[2]、扩散焊、钎焊和软焊[3]。在其他焊接工艺中，GMAW是一种多功能工艺，广泛用于各种黑色和有色金属的制造，因为它大大改善了金属的性能。焊接件的质量特性[4]。气体保护金属极电弧焊（GMAW）是一种电弧焊接工艺，其中热源是在自耗金属电极和工件之间形成的电弧，并具有外部供应的惰性气体（例如氩气和/或氦气）的气体保护[5]。焊缝质量主要取决于焊道几何特征、焊缝的机械-冶金特征以及焊缝化学的各个方面，这些特征预计会受到各种变量的极大影响，例如焊接几何形状、坡口角度、保护类型和混合物[4]以及不同的输入参数：电流、电压、电极伸出、气体流速、边缘准备、焊接位置、焊接速度、喷嘴到板的距离[6，7]，等此外，各种输入参数的累积效应决定了应满足实际应用领域中焊缝功能方面的接头强度程度[8]。 因此，准备一个高质量的焊缝似乎是一个艰巨的工作。铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢（F/A）之间的异种金属组合在陶瓷中是需要的。例如，它通常用于TiCl4还原炉中，因为奥氏体不锈钢具有良好的蠕变强度和抗氧化性，这是在较高温度区域所需的，而铁素体不锈钢是首选，以避免熔融镁浸出镍的问题[2]。AISI 316型奥氏体不锈钢广泛用于由于其优异的耐腐蚀性、可加工性，以及它们在高温下具有良好的机械性能[9，10]，它们在市场上以较便宜的成本[11]的可获得性，它们在许多工业应用中受到欢迎。316不锈钢的典型用途包括蒸汽发生器作为管道和过热器材料[9]。不锈钢（SS）316 L是一种铬-镍-钼奥氏体不锈钢，用于在中等腐蚀性环境中为SS 304/304 L提供更好的耐腐蚀性。316L型是316型的超低碳版本，可最大限度地减少焊接造成的有害碳化物钼的添加改善了一般腐蚀和耐氯化物点蚀性[12选择奥氏体不锈钢316 L材料是因为该材料含碳量低，且具有良好的可焊性系数[9]。奥氏体不锈钢（ASS），如316L型，通常优于其他奥氏体品种作为结构材料，由于其较高的耐腐蚀性和优越的机械性能在低温和高温下。铁素体不锈钢（FSS）具有体心立方晶体[15]比奥氏体钢延展性差，并且不能像马氏体钢那样通过热处理旧铁素体（即AISI 430）主要用于家用器皿和其他对耐腐蚀性能要求不高的应用它们是仅次于奥氏体不锈钢的第二大销售类型。铬含量为11-30%（重量百分比）的铁素体不锈钢铁素体/奥氏体（F/A）接头是在许多应用中使用的流行的异种金属组合，并且这些接头在诸如石化工业、船舶工业、核电站、纸浆和造纸等行业中具有巨大的需求[21，22]等。F/A接头通常使用传统的焊接工艺生产，例如手动金属电弧（MMA）、金属惰性气体电弧（MIG）和钨极惰性气体电弧（TIG）焊接[23]。F/A异种接头基于技术和经济两方面，即这些异种接头可以提供令人满意的性能，并合理节省成本[24]。Satyanarayana等人[2]提到铁素体不锈钢的连接面临焊缝区和熔焊热影响区晶粒粗大的问题，而奥氏体不锈钢是容易焊接的材料。不同F/A材料的连接并不是一件容易的事情;由于热导率和热膨胀的差异，这被认为是一个具有挑战性的问题，可能会导致裂纹形成界面[25，26]。Larsson和Berthold[27]详细描述了铁素体和奥氏体不锈钢的冶金性能和推荐的焊接工艺。最近;在许多工业应用中，使用不同的焊接工艺来连接不同的材料已经受到更多的关注，以生产各种产品或部件[28]。Taban等人[19]研究了改性12%Cr铁素体不锈钢和碳钢之间异种焊接的影响。Anawa和Olabi[24]优化了激光束焊接过程中不同铁素体/奥氏体金属接头的拉伸强度。Ugur等人[29]对不同AISI 430铁素体和AISI 304奥氏体不锈钢材料的显微组织特征进行了研究。Joo等人[30]通过改变焊接速度、焊接电流、激光弧距和焊接电压等四个参数，研究了在复合CO2激光GMA焊接工艺中高强度钢与不锈钢之间异种焊接接头的质量特性Rudrapati等人[31]优化了异种低碳钢和不锈钢材料的TIG焊接Palani和Murugan[32]对工艺参数对焊缝质量特性的重要性进行了广泛的分析，并指出正确选择焊接参数对于消除/避免焊接缺陷和在焊件中获得理想的焊接性能非常重要。田口方法和灰色关联分析是分析和优化焊接过程多质量特性的有效技术[33Jiang等人[33]曾利用基于灰色的田口方法对脉冲金属惰性气体保护焊过程中的多个响应进行了实验分析。通过方差分析确定了单个工艺参数的影响。研究人员通过基于田口方法的混合GRY发现了改进的焊接条件。Datta等人[34]利用田口的OA和灰色关联分析来确定埋弧焊过程中多响应的最佳工艺条件。 Tarng等人[35]通过考虑多种焊缝质量，在埋弧焊工艺中使用基于灰色的田口方法确定了最佳焊接工艺参数。同样，Pan等人[36]通过使用灰色关联分析和田口方法[46，47]，改善了焊接条件，同时提高了多个焊缝质量。同样，Songsorn等人[37]也利用在点焊过程中，因此，很明显，异种材料的焊接是具有挑战性的，并且尚未在相当程度上进行研究。对于铁素体不锈钢和铁素体不锈钢（F/A）之间的焊接也是如此。此外，还需要彻底研究不同技术对每种耗散材料组合的适用性。输入参数对质量响应的影响始终是一个重要方面[32]。基于上述考虑，本文拟研究输入参数对极限抗拉强度的影响1336N. Ghosh等人/工程科学与技术，国际期刊20（2017）13341<.（c）66 0ny^-ymin不Ty^yT-yminniR2n1>8>。（c）min;tP0ð5Þ; y最 6年^ 6年Maxð6Þ(UTS)和屈服强度（YS）在GMA焊接的不同铁素体不锈钢AISI 409和奥氏体不锈钢AISI 316L材料。实验按田口L9正交表法进行通过目视检查和X射线照相试验，研究了焊缝试样的表面和亚表面缺陷多响应：采用灰色关联分析方法，将极限抗拉强度和屈服强度组合为一个综合质量响应（灰色关联度）通过统计信噪比技术研究了焊接参数对输出响应的影响采用田口方法，得到了综合优化两种响应的气体保护金属极电弧焊（GMA）焊接工艺参数的最优设置目前的工作和广泛的研究工作在这方面，即。铁素体不锈钢AISI 409和奥氏体不锈钢AISI 316L（F/A）异种材料焊接可产生良好的知识库，实践工程师和技术人员可从中容易地选择参数设置，以更精确、可靠和预测地生产出高质量的焊缝2. 田口方法田口方法由日本科学家田口玄一博士开发[33]。田口实验设计为性能、质量和成本的优化设计提供了一种有效和系统的方法。田口方法广泛用于不同的工程领域，以优化制造工艺/系统[38，39]。它是以更低的成本设计高质量系统/流程的最重要工具之一。田口法以正交试验为基础，强调均衡设计，各因素权重相等，试验次数少。因此，使用田口方法的正交表可大幅降低成本和实验时间[40]。为了评估过程参数，田口方法使用统计测量能力功能。共同的趋势是发展一个数学模型的综合可取性，其中它表示为过程变量的函数。 然后进行优化，以揭示因素组合，以实现最大的整体可取性。期望函数法是求解多目标同时达到某一确定目标的多性能指标优化问题的有力工具。该方法的基本思想是将多性能特性优化问题转化为以总期望值为目标函数的单响应优化问题。然后对总体满意度函数进行优化。一般方法是首先将每个响应yi转换为单个期望函数di，该函数可在0≤Di≤ 1的范围内变化，其中如果响应yi满足目标或目标值，则di= 1，如果响应超出可接受限值，则di= 0。下一步是选择能使总体合意度D最大化的参数组合。D1/4d1·d2. . . dmm4其中m =响应次数。使用Derringer和Suich提出的公式计算相应响应的个人意愿。根据反应的特点，期望函数有三种形式。3.1.最佳提名需要y1的值来实现特定目标T。当y^等于T时，期望值等于1;如果y^偏离目标超过特定范围，则期望值等于0，并且这种情况代表最坏情况。名义最佳的期望函数可以写为：性能称为信噪比（S/N），它同时考虑了平均值和变异性[41]。S/N比平均值（信号）与标准差（噪声）的比值y^-yminSyT-yminmin 6y^6T;sP0该比例取决于产品的质量特性/过程要优化。通常使用的标准S/N比[42]是标称最好（NB），较低的更好（LB）和较高的更好（HB）。（NB）最佳标称的田口这里，ymax和ymin表示ymax和ymin的公差上限和公差下限，s和t表示指数s。n2克/分10英寸/分101X升¼1ð1Þ（LB）越低越好的田口g¼-10ln101Xy21/1ð2Þ期望y^的值越大越好。当y^超过特定的标准值时，这可以被视为要求，期望值等于1;如果y^小于一个特定的标准值，这是不可接受的，可取性（HB）越高越好的田口n等于0。越大越好的意愿函数写成g¼-10ln101X11/11ð3Þ8>0y-ymaxymax-yminy^6y纽约2>。 ^^min13. 意愿函数法优化使用的愿望函数（DF）的方法也是y^Pymax在这方面很有帮助这种方法将每个响应（目标）成他们的个人期望值，其可以从0到1变化如果响应值为超出可接受的范围，期望值被假定为零。如果达到目标，意愿值变为1。对应于每个目标，然后将各个期望值累加以计算总体或复合期望值。3.3. 越小越好期望y^的值越小越好。当如果y1小于特定标准值，则期望值等于1;如果y2超过特定标准值，则期望值等于0。越小越好的意愿函数3.2. 越大越好<>：N. Ghosh等人/工程科学与技术，国际期刊20（2017）13341337××表1焊接工艺参数及其等级。对于目标，权重可以设置为较大的值; 2否则，权重可以设置为较小的值。4. 实验计划、设置和程序8>1;y^6y最小实验按照田口方法的L9正交表进行，该正交表由三列九行组成。该设计基于三个因素，每个因素三个水平。 在这组实验中，焊接电流、气体流量和喷嘴到板的距离被认为是工艺变量。焊接工艺参数及其等级见表1。显示了按照L9田口正交表的><。y^-ymax 阿雷雷6年^6年;r>0表2中对接接头已在不同材料之间完成ymin-ymax0的整数;：>个miny^PyminMaxð7Þals：铁素体不锈钢AISI 409和奥氏体不锈钢AISI 316L，通过使用AISI308L奥氏体填充焊丝的气体保护金属极电弧（GMA）焊接工艺。每个对接焊接样品由其中，ymax和ymin表示ymax的公差上限和公差下限，r表示权重。（2）（4）表示权重，根据用户指标的要求定义。如果相应的响应预计将关闭-表2根据田口L9正交表的焊接设计矩阵S. 没有 焊接参数焊接电流（A）气体流速（B）喷嘴至板距离（C）110010921001512310020154112101251121515611220971241015812415991242012加入两3毫米厚床单，每个的尺寸60 mm 100 mm3 mm。焊接由ESAB-MAKE：SANK 400机器进行。 铜板用作垫板。焊接速度基本保持在120 mm/min。焊接装置的照片如图所示. 1.一、奥氏体不锈钢AISI 316L、铁素体不锈钢AISI 409和填充金属的化学成分如表3所示。焊接样品的照片如图2所示。对所有焊接试件进行了外观检查和X射线探伤。在目视检查和X射线照相试验后，通过切割/机加工从焊接接头制备拉伸试验样本，以进行拉伸试验。在拉伸试验样本的切割/机加工过程中，取了小切口。然后，这些切割件被研磨、抛光和蚀刻，用于研究微观结构。然而，在本研究中没有考虑这被认为是一项单独的研究和批判性分析，可能会作为单独的论文出现。拉伸试样的照片如图所示。3.第三章。Fig. 1. 摄影视图焊接装置。表3不锈钢AISI 316L、铁素体不锈钢AISI 409和AISI 308L奥氏体填充焊丝的化学成分。基板组合物重量百分比CMNSiPCRNi莫CuAlS不316L0.031.470.580.02518.338.330.20.190.010.01–4090.020.780.370.0211.72–––0.020.48填充金属308L0.021.680.530.01219.459.220.1160.0820.010.03–输入因素单位符号因子水平12 3焊接电流一一100112124气体流速L/minB1015 20喷嘴至板距离mmC912 151338N. Ghosh等人/工程科学与技术，国际期刊20（2017）1334图二. 焊接样品的照片。5. 焊件外观检查结果对于目视检查，用肉眼观察焊缝表面，以检测焊件的表面缺陷。目视检查的试验结果见表4。从表4中可以看出，在样品1、4、6和8中没有发现缺陷其他试样也存在飞溅、气孔、过渡不均匀、熔敷量过大等焊接缺陷对产生上述焊接缺陷的原因进行了如下讨论1. 在样品编号：2、3、5和9中发现飞溅缺陷。这是由于潮湿的填充棒、电弧吹出/气泡被捕获在熔融金属中以及在电弧缝外突出小的金属滴[43，44]。2. 焊接电流过低/过高和更快的移动速度或两者的组合可能会导致焊件中的气孔，如2号样品所示。焊接工艺不正确，工作表面不干净，焊条受潮，气体进入凝固金属，电弧变大等，是焊接件中气孔缺陷的一些原因[44，45]。3. 在目视检查中，在5号和7号样品中发现的不均匀熔深可能是由于错误地固定了焊条/填充棒，电弧行进速度较快。4. 在样品编号中发现过度沉积。在目视检查中，图3和图9所示的缺陷可能受到接头背面多余焊接金属的影响。6. 焊件X射线照相检测结果使用XXQ-2005型X射线探伤仪对9个试样进行了X射线探伤试验，并给出了几个试样的典型X射线照片。四比九X射线照相试验结果见表5。见图4。3号样品的射线照相胶片图五. 4号样品的射线照相胶片见图6。5号样品的射线照相胶片图3.第三章。根据ASTME8标准制备用于拉伸试验的试样示意图表4焊接试样目视检查的观察结果S. 号焊接电流（A）气体流速（B）喷嘴至板距离目视检查1100109没有缺陷21001512气孔和飞溅31002015过度沉积和飞溅41121012没有缺陷51121515飞溅和不均匀渗透6112209没有缺陷71241015不均匀渗透8124159没有缺陷91242012飞溅和过度沉积N. Ghosh等人/工程科学与技术，国际期刊20（2017）13341339见图7。7号样品的射线照相胶片见图8。8号样品的射线照相胶片见图9。9号样品的射线照相胶片在3号样品中发现了未熔合缺陷。由于焊接输入参数设置不当，导致根部或壁部未熔合：电流、清洁不当、电弧移动速度过快、存在氧化物、氧化皮等，这些都不允许沉积的金属与基底金属适当地熔合。热输入应是最佳的，以防止未熔合缺陷。 太低的热输入不能确保焊接熔敷物的适当熔化，而太高的热输入会使大的焊接熔池，金属从该焊接熔池开始在电弧前面的区域中流走，这防止了基底金属的熔化[44]。在2、5、7和9号样品中发现了孔隙缺陷，这可能是由于气体被截留在固体化金属中[45]。气孔对焊件质量有不利影响。保护气体、填充金属和基底金属的污染可能是主要问题[44]。分配系统中任何地方的泄漏都会使空气扩散到屏蔽层中气体熔化的焊缝金属比母材含有大量的氮、氧和氢.当焊接熔池冻结时，气体从溶液中出来并形成孔隙。气孔也可能是由过度的焊嘴到工件的距离引起的，这可能在保护气柱中产生湍流，从大气中吸入氧气和氮气，然后与高温焊接金属反应。过低或过高的气体流速也会增加孔隙率。在低速率下，气体不能排除大气。在高流量下，气柱中的湍流导致与大气混合。根据目视检查和X射线照相测试的结果，注意到可以确定结果的某些一致性。视觉和X射线照相测试也表明，样品编号1、4、6和8没有明显缺陷。7. 拉伸试验结果和讨论对根据L9 Tagu-chi正交试验设计制备的拉伸试样进行拉伸强度试验，所得结果见表6。8. 用期望函数分析法选择最佳参数对于目前的工作，响应应最大化，因此越大，越好的公式用于找到个人的愿望值，并在表7中列出，并使用Eq. （4）超过─表6拉伸试验结果。号样品屈服强度（Mpa）极限抗拉强度（Mpa）骨折部位1266.322421.742贱金属2280.012407.998HAZ3276.57411.641贱金属4244.719381.214HAZ5220.499400.704HAZ6230.454345.678HAZ7281.51415.699贱金属8269.953401.790贱金属9268.859400.364贱金属表7个人意愿值。号样品个人期望值屈服强度（MPa）极限抗拉强度（MPa）10.248940.0000020.024550.1360330.080970.0999740.603020.4011251.000001.0000060.836830.7528370.000000.0598180.189420.1974790.207360.21158表5X射线照相测试结果。号样品焊接电流（A）气体流速（B）喷嘴至板距离X射线照相测试1100109没有缺陷21001512孔隙率31002015缺乏融合和多孔性41121012没有缺陷51121515孔隙率6112209没有缺陷71241015孔隙率8124159没有缺陷91242012孔隙率1340N. Ghosh等人/工程科学与技术，国际期刊20（2017）1334表8总体期望值。表10验证结果。获得最佳参数条件通过田口方法电流（C）112 A通过确认试验获得的极限拉伸玻璃流速（F）15 L/ minU.T.S = 422 MPa喷嘴到板的距离（S）15毫米表9总体可取性的响应表。水平电流气体流速喷嘴至板距离10.049250.163940.3290520.761860.417060.2530230.134290.364390.36332三角洲0.712610.253120.1103秩123计算所有的期望值并将其列于表8中（见表9）。借助平均灰色关联度的响应图（图10），确定了最佳参数组合。最佳系数设置为C2 F2 S3（即焊接电流= 112 A，气体流速= 15l/min，喷嘴到板的距离= 15 mm9. 确证试验确证试验结果见表10。结果表明，最优参数设置的预测是有效的。在最佳参数组合（C_2F_2S_3）下进行了验证性试验验证性试验结果表明，优化后的焊接工艺条件下，焊接接头的极限拉伸强度最大，验证了所提出的优化方法的有效性10. 结论对AISI 409铁素体不锈钢与AISI 316L奥氏体不锈钢的双金属点焊进行了研究，得出了以下结论。对于1号样品获得最佳结果（对应于电流100 A、流速10 L/ min和喷嘴到板的距离9 mm）。对于该样品，极限拉伸强度= 421.742 MPa和屈服强度= 266.322 MPa。6号样品（对应电流112 A、气体流速20 L/min和喷嘴至板距离9 mm）的拉伸试验结果最差，该样品屈服强度为230.454 MPa，极限拉伸强度为345.678 MPa。采用田口-合意分析法对工艺参数进行了优化，确定了最佳参数组合。最佳系数设置为C2 F2 S3（即焊接电流= 112 A，气体流速=15l/min，喷嘴到板的距离= 15 mm）。见图10。平均总体意愿的响应图。●号样品整体意愿10.0000020.0577830.0899740.4918251.0000060.7937570.0000080.1934090.20946●N. Ghosh等人/工程科学与技术，国际期刊20（2017）13341341确认作者衷心感谢所有的工作人员的蓝色地球工作室的Jadavpur大学谁直接或间接地使他们参与了实验工作和测试的一部分，这项工作。引用[1] C. Rakesh，P.里迪什岛Asha，使用熔焊的异种金属接头的可靠性恩吉迪拜，2014年。[2] V.V. Satyanarayana，G.M. Reddy，T.陈晓，等，不锈钢摩擦焊的研究，机械工程学报，2001。过程160（2005）128-137。[3] C.作者：George，R. Sudhish，异种钢GMAW的参数优化：双相不锈钢2205和不锈钢316L，在：Int. J. on Theor. 和Appl.雷西亚在械甲怪恩吉3，2014，pp.2319-3182[4] I.Z.易卜拉欣公司Mohamat，A. Amir，A. Ghalib，气体保护金属极弧焊工艺对不同焊接参数的影响，Procedia Eng.41（2012）1502-1506。[5] M. Singla，D.辛格山，加-地应用析因设计法优化气体保护金属极电弧焊工艺，J.Miner. Mater. Charact. Eng.9（2010）353-363。[6] 联合埃斯梅，M.Bayramoglu，Y.Kazancoglu，S.吴晓波，应用灰色关联分析和田口方法优化TIG焊接过程中的焊缝几何形状，Mater. 43（2009）143-149。[7] S.达塔湾Nandi，A.班焦帕德亚伊峰基于PCA的混合田口法在埋弧焊相关多准则优化中的应用：案例研究，国际先进制造技术杂志。45（2009）276-286。[8] N. 戈什峰P.，G.南迪河Rudrapati，奥氏体不锈钢TIG焊接的填充材料成分变化的实验研究27比35[9] B.韦斯河Stickler，316奥氏体不锈钢高温暴露过程中的相不稳定性，Metall。译 3（1972）851-866。[10] C. Balaji，S.V.A. Kumar，S.A.库马尔河Satish，使用钨极惰性气体保护焊的SS316 L焊接件的机械性能评估，国际J。工程科学4（2012）2053-2057。[11] P. Bharath，V.G. Sridhar，M. 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